基于相位的ToF測(cè)距方法避免了背景光影響

最新的距離感測(cè)采用ToF

飛行時(shí)間（Time of Flight，簡(jiǎn)稱TOF）測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，如圖1。

ToF測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù)，它主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)分為雙向測(cè)距技術(shù)和單向測(cè)距技術(shù)。在信號(hào)電平比較好調(diào)制或在非視距視線環(huán)境下，基于RSSI（Received Signal StrengthIndication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）測(cè)距方法估算的結(jié)果比較理想；在視距視線環(huán)境下，基于ToF距離估算方法能夠彌補(bǔ)基于RSSI距離估算方法的不足。

ToF測(cè)距方法有兩個(gè)關(guān)鍵的約束：一是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步：二是接收設(shè)備提供信號(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，ToF測(cè)距方法采用了時(shí)鐘偏移量來(lái)解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。Intersil最新的ToF信號(hào)處理IC——ISL29501方案就是典型的ToF方案，可用于所有光照條件，并且實(shí)現(xiàn)了小型化和電池應(yīng)用的低功耗。因?yàn)镮ntersil專利的信號(hào)處理器技術(shù)使用了基于相位的ToF來(lái)應(yīng)對(duì)檢測(cè)物體周圍的環(huán)境光的影響（如圖2）。

ISL29501方案克服了背景光限制

Intersil在美國(guó)半導(dǎo)體廠商云集的“euroasia PRESS 1：1”會(huì)議上，公司移動(dòng)電源產(chǎn)品部高級(jí)副總裁Andrew Cowell登臺(tái)，介紹了在2000勒克斯（1x）的高照度下也能高精度測(cè)量距離的接近傳感器信號(hào)處理IC“ISL29501”。

在lSL29501上采用了根據(jù)射出光和反射光的相位差測(cè)量與對(duì)象物之間距離的技術(shù)。光源發(fā)出脈沖狀紅外光后，該紅外光被對(duì)象物反射，在利用光電二極管檢測(cè)的階段，脈沖的相位會(huì)延遲，因此利用IC內(nèi)的DSP處理射出光及接收光的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出距離。

“利用相位差測(cè)距的技術(shù)歷史悠久，并不是只有英特矽爾利用該技術(shù)。但把該測(cè)距技術(shù)“以小封裝尺寸和低耗電量實(shí)現(xiàn)的只有我們”。Intersil移動(dòng)電源產(chǎn)品部高級(jí)副總裁Andrew Cowell稱，他在美國(guó)半導(dǎo)體廠商云集的“euroasia PRESS1：1”會(huì)議上指出：“ISL29501克服了基于振幅的傳統(tǒng)接近傳感器和其他TOF解決方案的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)包括在照度高于2000勒克斯的照明條件下性能不佳，以及在目標(biāo)物與傳感器不垂直時(shí)無(wú)法提供距離信息。而之前傳統(tǒng)的替代解決方案則對(duì)小型電池供電的應(yīng)用顯得過(guò)于昂貴、笨重或耗電厲害。”

據(jù)稱在0.1～2m的范圍內(nèi)，該方案能以±20mm的精度測(cè)量距離。主要用于移動(dòng)產(chǎn)品，適合用于智能手機(jī)攝像頭功能的自動(dòng)對(duì)焦及無(wú)人機(jī)躲避障礙物使用的傳感器等。

Intersil的ToF感測(cè)系統(tǒng)的元件框圖如圖3所示。光源采用LED或VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。光傳感器是光電二極管。光路采用玻璃蓋、光圈和孔徑等。驅(qū)動(dòng)器電子方面，發(fā)射器采用固定頻率和客戶定義的電流。

工作原理可參考圖1，感測(cè)和計(jì)算方面，探測(cè)發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的相位差，校準(zhǔn)串?dāng)_和其他系統(tǒng)錯(cuò)誤源，計(jì)算距離。傳感器工作在加權(quán)平均模式，這其中包括信號(hào)被接收到的是一個(gè)從所有觀測(cè)點(diǎn)反射的信號(hào)的平均值；這不是一個(gè)基于時(shí)間延遲的ToF傳感器一其弊端是會(huì)受到環(huán)境光的影響：它不是ToF多像素?cái)z像頭技術(shù)。

ISL29501測(cè)量觀測(cè)目標(biāo)的單個(gè)和多個(gè)目標(biāo)的方法如圖4所示。對(duì)于單個(gè)目標(biāo)：當(dāng)主要的目標(biāo)被探測(cè)到時(shí)測(cè)量距離。多個(gè)目標(biāo)時(shí)，距離將在多個(gè)目標(biāo)之間平均。

這是高可配置發(fā)感測(cè)系統(tǒng)，可以提供應(yīng)用優(yōu)化。包括采樣波形的優(yōu)化；可編程性，能夠控制采樣和整合時(shí)間，定義系統(tǒng)的工作循環(huán)來(lái)達(dá)到合理的功耗和精確的目標(biāo)探測(cè)，還有附加的工作模式，可以有連續(xù)模式，單個(gè)模式。再有，帶來(lái)系統(tǒng)視野內(nèi)的探測(cè)，包括在一個(gè)用戶特殊范圍內(nèi)的已有/沒(méi)有的目標(biāo)，距離測(cè)量，測(cè)量目標(biāo)距離，假定FoV中的一個(gè)主要目標(biāo)。移動(dòng)探測(cè)，F(xiàn)oV（Field of View，視野）物體現(xiàn)在和移動(dòng)中。

“與本公司接近的A競(jìng)爭(zhēng)公司的產(chǎn)品，測(cè)距范圍為10～150cm，耗電量高達(dá)150mW，IC的外形尺寸也要22mm×8mm×7.2mm。B競(jìng)爭(zhēng)公司的產(chǎn)品雖然lC外形尺寸只有4.8mm×2.8mm×1 mm，但測(cè)距范圍還不到30mm”Cowell稱。（王瑩）